Впервые составлен полный атлас человеческого мозга с клеточным разрешением 1 мкм/пиксель
Несколько изображений из атласа человеческого мозга. Изображение: Allen Institute for Brain Science
Знание детальной анатомической структуры человеческого мозга крайне важно для понимания его функциональности. Существующие справочные атласы не отличаются высоким качеством: у них относительно низкое разрешение или они неполные, или не хватает аннотаций структуры. Долгое время атласы человеческого мозга уступали атласам мозга червей, мух и мышей по качеству, пространственному разрешению и полноте. Это связано с техническими ограничениями из-за огромного размера и сложности человеческого мозга. Что и говорить, если в медицине до сих пор зачастую используются атласы столетней давности.
Хорошо, что в мире остались меценаты, такие как сооснователь Microsoft Пол Аллен. Полмиллиарда долларов, вложенных в научный проект по исследованию человеческого мозга, принесли результат.
Учёные из Института Аллена по нейронаукам (Allen Institute for Brain Science) восполнили большой научный пробел — и подготовили самый полный и детальный на сегодняшний день цифровой атлас человеческого мозга. Он составлен путём нейровизуализации, гистологического исследования с высоким разрешением и химиоархитектуры мозга 34-летней женщины (как известно, мозг женщины структурно и функционально не отличается от мужского).
Для составления атласа пришлось задействовать магнитно-резонансную томографию, диффузионно-взвешенную визуализацию (диффузионную МРТ) и 1356 больших анатомических пластин размером с полушарие мозга для иммуногистохимии (ИГХ) и исследования по методу Ниссля с клеточным разрешением, то есть 1 мкм/пиксель.
Ранее в этом году о создании атласа человеческого мозга объявили исследователи Human Connectome Project. Они скомпилировали изображения, полученные методом МРТ у 210 взрослых людей. Но такая картина даже близко не может сравниться с детальным атласом одной женщины на клеточном уровне, который составили в Институте Аллена по нейронаукам.
«Это самый структурно полный атлас на сегодняшний день, и мы надеемся, что он послужит эталонным справочником человеческого мозга в различных научных дисциплинах», — говорит Эд Лейн (Ed Lein), кандидат наук и исследователь Института Аллена по нейронаукам. В будущем этот атлас будет полезен как базовый справочник для наложения других карт человеческого мозга, в том числе функциональных карт или карт клеточного состава отделов мозга. Это своеобразный единый фреймворк для интеграции множества научных исследований, объединения разных типов данных о человеческом мозге.
В атлас вошли полностью аннотированные изображения 862 структур мозга, в том числе 117 трактов (нейронных путей) в белом веществе и несколько новых цито- и химиоархитектурно выделенных структур. Эти аннотации, полученные с анатомических пластин и исследования по методу Ниссля, перенесены также на соответствующие изображения МРТ, где мозг был ещё в целом, не разрезанном виде.
Атлас человеческого мозга. Иллюстрация: Allen Institute for Brain Science
В новой коре (неокортексе) исследователи разграничили отдельные области: борозды, извилины и модифицированные поля Бродмана, чтобы связать в единую структуру макроскропические анатомические парцелляции и микроскопические химиоархитектурные парцелляции.
Чтобы создать полную онтологию мозга и точно разграничить отдельные регионы в поперечных сечениях, учёным Института Аллена пришлось разработать новый сканер, способный сканировать с микрометровым разрешением тонкие срезы ткани размером с полное полушарие мозга.
Учёные проделали огромную работу. Созданный ими атлас мозга женщины настолько детальный, что позволяет довольно точно определить соответствующие структурные области в мозгу других людей по данным МРТ.
Интерактивный цифровой атлас мозга, составленный в Института Аллена по нейронаукам, опубликован в свободном доступе совершенно бесплатно для научного сообщества всего мира. На сайте он интегрирован с существующими атласами экспрессии генов, составленными в том же институте.
Цифровой атлас по своему формату сильно отличается от классических атласов. Интерактивный формат позволяет «путешествовать» по мозгу, изменять масштаб от макроскопического к микроскопическому — от целых отделов мозга к конкретным нейронам. При этом атлас содержит абсолютно точную информацию из научных работ, прошедших рецензирование.
Институт Аллена по нейронаукам — частное научно-исследовательское заведение, которое основал Пол Аллен, один из создателей компании Microsoft. Меценат вложил более полумиллиарда долларов в научный проект по составлению атласа человеческого мозга. Этот проект называют медицинским «Проектом Манхэттен».
Медицинский «Проект Манхэттен» должен помочь понять, как происходит мыслительный процесс у человека: «Мне, как бывшему программисту, очень интересно, как же работает человеческий мозг, как на самом деле происходит обработка информации, — говорил Аллен в одном из интервью. — Даже совсем немного углубившись в неврологию, ты начинаешь понимать, что всё взаимосвязано. То есть мозг пытается использовать всё, что только можно: зрение, слух, опыт прошлого. Всё это мозг использует, чтобы рассчитать, что животное (будь то мышь или человек) должно делать дальше».
В идеале, атлас человеческого мозга поможет понять самое важное — что такое сознание.
Научная статья опубликована в журнале Journal of Comparative Neurology (doi: 10.1002/cne.24080). Собственно, 350-страничный атлас занял весь номер этого журнала.
